开关电源08、课件_软开关讲解
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开关电源中的软开关技术
§1 相平面分析法 §2 软开关的意义 §3 软开关简介 §4 准谐振变换器
§1 相平面分析法
相平面分析法是分析软开关电路工作过程的一种十分有效的方法
典型二阶电路 ——电路中只有电压源
电路方程以及初始条件：
uc (0) uc0 , il (0) 0
LC
d 2uc dt 2
谐振开关分类：
零电流谐振开关(ZCS) 零电压谐振开关(ZVS)
§3 软开关简介
谐振开关原理图
M型
M型
L型 零电流谐振开关
L型 零电压谐振开关
§3 软开关简介
软开关技术的发展过程(按谐振方式来分)
序号 1 2
3 4
时间 70年代 80年代中
80年代末 90年代初
名
称
应用
串联或并联谐振技术
半桥或全桥变换器
图 中，曲线是从（0，Io）开始，以（E，Io）为圆心的一段圆弧。此时有：
Cr
duCr dt
iLr
Io
Lr
diLr dt
E vCr
(4.3)
把初始条件iLr(t1)=Io，uCr(t1)=0代入，可解得：
E
LC
d 2il dt 2
il
I
令：ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
0
1 LC
根据叠加原理可得：
uc (uc0 E) cos0t
L C
(I
I0
)
sin
0t
E
il
C L
(E
V0
) s in 0t
(I0
I
) cos0t
I
§1 相平面分析法
L il C
uc0, I0
L C
E, I
L C
uc
0
电压源和电流源同时存在的电路的相平面图
(4.1) 在t1时刻，iLr上升到负载电流Io，D自然关断，开关状态1结束。根据式 (4.1)可得这个时间段的长度为：
T1
Lr E
Io
(4.2)
Lr
Cr
D off Tp on
L il C
I0 L C
0
E
Uc
Tp off
2. 开关状态2[t1,t2]－电感电容谐振 在时刻t1，续流二极管D截止，电感Lr和电容Cr开始谐振，电路进入谐振工作 状态。谐振初始状态为：iLr(t1)=Io，uCr(t1)=0，强迫分量为E，Io，在相平面
但考虑电路中存在电阻，电容电压将稳定在某一个值。
总结：相平面分析法是以电容电压为为x轴， 以电感电流为y轴，分析电路中电压和电流变 化的关系的一种分析方法。它是分析谐振电路， 进而也是分析软开关电路工作过程的一种十分 有效的方法。
§3 软开关简介
谐振开关
给开关器件串联电感或者并联电容等谐振器 件，通过谐振电路的作用，使开关管导通或 关断时电压或电流为零，使得开通损耗或关 断损耗接近为零。
4.1 零电流开关准谐振变换器
Buck ZCS QRCs工作原理 ： – 由于有谐振电感Lr的作用，开关Tp闭合为开 关管零电流开通；Tp导通后，谐振电感和谐 振电容谐振，当Lr中的电流为零时，将开关 Tp断开，从而实现开关管的零电流关断。
Lr
4.1零电流开关准谐振变换器
Buck ZCS QRCs初始状态： – Tp 关断，Io通过二极管D续流 ，电容Cr上的电压为 零，电感中电流为零。在t0时刻，Tp导通。
是圆心为强迫分量（E,I
L C
）,并通过初始点（uco，I0
L C
）的
圆。
相平面分析法举例－电容充电电路 (初始条件为零)
T1
T2
+
Ev
-
il
L C
- 2E
2E
uc
E
4E
T1导通，T2关断 T2导通，T1关断
1. T1导通,电源E,T1,L,C形成谐振回路，强迫分量为E,在谐振电流过零时刻，T1关断； 2. T2导通，T2,L,C形成谐振回路，强迫分量为零，在谐振电流过零时刻，T2关断; 3. T1导通,电源E,T1,L,C形成谐振回路，强迫分量仍为E,在谐振电流过零时刻，T1关断; 4. T2导通,电容反复被充电，如果不考虑损耗，电容电压降趋于无穷大，
il
L C
IL C
uc
0
只有电流源的电路的相平面图
是一个半径为（ I
L C
- I0
L C
）,圆心为强迫分量（0,
I
L C
），通
过初始点（0,
I0
L）的圆。
C
典型二阶电路 ——电路中电压源与电流源同时存在
电路方程以及初始条件：
uc (0) uc0 ,il (0) I0
LC
d 2uc dt 2
uc
§4 准谐振变换器
准谐振变换器(QRCs, quasi-resonant-converters): 80年代提出的一类变换器，根据谐振方式的不 同，准谐振变换器可以分为： – 零电流开关准谐振变换器（ZCS QRCs） – 零电压开关准谐振变换器（ZVS QRCs）
特点 ： – 在一个工作周期内，谐振元件只在一部分时 间内参与谐振，而其他时间内运行在非谐振 状态
Lr
Cr
Lr
Cr
D off Tp on
il
L C
L I0
C
0
E
Uc
Tp off
1. 开关状态1[t0,t1]－电感恒压充电 在这一时间段内，开关Tp导通，续流二极管D继续导通，谐振电容Cr上 电压被钳位为0，电感Lr在E的作用下恒压充电，iLr线性上升。 这一阶段在相平面图中，对应于曲线沿I 轴向上。这段时间段内有：
uc
E
： 令
0
1 LC
解此二阶方程有：
uc (uc0 E) cos0t E
il
C L
(
E
uc0
)
s
in
0t
§1 相平面分析法
il
L C
0
E
uc0
uc
只有电压源的电路的相平面图
在以uc为x轴， il
L C
为y轴的相平面上，电压、电流的关系为一个圆,圆心
为强迫分量（E，0），通过初始点(uco，0) ，半径为（E- uco ）。
准谐振（QRC）或者多谐振技 单端或桥式变换器 术（MRC）
ZCS－PWM或ZVS－PWM技术 单端或桥式变换器
ZCT－PWM或ZVT－PWM技术 单端或桥式变换器
QRC: quasi-resonant converter MRC: multi-resonant converter ZCT: zero-current-transition ZVT: zero-voltage-transition
uco
§1 相平面分析法
典型二阶电路 ——电路中只有电流源
电路方程以及初始条件：
il (0) I 0 ,uc (0) 0
LC
d 2il dt 2
il
I
令： 解此二阶方程有：
0
1 LC
il (I0 I ) cos0t I
uc
L C
(I
I0
) s in 0t
§1 相平面分析法
L I0 C
§1 相平面分析法 §2 软开关的意义 §3 软开关简介 §4 准谐振变换器
§1 相平面分析法
相平面分析法是分析软开关电路工作过程的一种十分有效的方法
典型二阶电路 ——电路中只有电压源
电路方程以及初始条件：
uc (0) uc0 , il (0) 0
LC
d 2uc dt 2
谐振开关分类：
零电流谐振开关(ZCS) 零电压谐振开关(ZVS)
§3 软开关简介
谐振开关原理图
M型
M型
L型 零电流谐振开关
L型 零电压谐振开关
§3 软开关简介
软开关技术的发展过程(按谐振方式来分)
序号 1 2
3 4
时间 70年代 80年代中
80年代末 90年代初
名
称
应用
串联或并联谐振技术
半桥或全桥变换器
图 中，曲线是从（0，Io）开始，以（E，Io）为圆心的一段圆弧。此时有：
Cr
duCr dt
iLr
Io
Lr
diLr dt
E vCr
(4.3)
把初始条件iLr(t1)=Io，uCr(t1)=0代入，可解得：
E
LC
d 2il dt 2
il
I
令：ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
0
1 LC
根据叠加原理可得：
uc (uc0 E) cos0t
L C
(I
I0
)
sin
0t
E
il
C L
(E
V0
) s in 0t
(I0
I
) cos0t
I
§1 相平面分析法
L il C
uc0, I0
L C
E, I
L C
uc
0
电压源和电流源同时存在的电路的相平面图
(4.1) 在t1时刻，iLr上升到负载电流Io，D自然关断，开关状态1结束。根据式 (4.1)可得这个时间段的长度为：
T1
Lr E
Io
(4.2)
Lr
Cr
D off Tp on
L il C
I0 L C
0
E
Uc
Tp off
2. 开关状态2[t1,t2]－电感电容谐振 在时刻t1，续流二极管D截止，电感Lr和电容Cr开始谐振，电路进入谐振工作 状态。谐振初始状态为：iLr(t1)=Io，uCr(t1)=0，强迫分量为E，Io，在相平面
但考虑电路中存在电阻，电容电压将稳定在某一个值。
总结：相平面分析法是以电容电压为为x轴， 以电感电流为y轴，分析电路中电压和电流变 化的关系的一种分析方法。它是分析谐振电路， 进而也是分析软开关电路工作过程的一种十分 有效的方法。
§3 软开关简介
谐振开关
给开关器件串联电感或者并联电容等谐振器 件，通过谐振电路的作用，使开关管导通或 关断时电压或电流为零，使得开通损耗或关 断损耗接近为零。
4.1 零电流开关准谐振变换器
Buck ZCS QRCs工作原理 ： – 由于有谐振电感Lr的作用，开关Tp闭合为开 关管零电流开通；Tp导通后，谐振电感和谐 振电容谐振，当Lr中的电流为零时，将开关 Tp断开，从而实现开关管的零电流关断。
Lr
4.1零电流开关准谐振变换器
Buck ZCS QRCs初始状态： – Tp 关断，Io通过二极管D续流 ，电容Cr上的电压为 零，电感中电流为零。在t0时刻，Tp导通。
是圆心为强迫分量（E,I
L C
）,并通过初始点（uco，I0
L C
）的
圆。
相平面分析法举例－电容充电电路 (初始条件为零)
T1
T2
+
Ev
-
il
L C
- 2E
2E
uc
E
4E
T1导通，T2关断 T2导通，T1关断
1. T1导通,电源E,T1,L,C形成谐振回路，强迫分量为E,在谐振电流过零时刻，T1关断； 2. T2导通，T2,L,C形成谐振回路，强迫分量为零，在谐振电流过零时刻，T2关断; 3. T1导通,电源E,T1,L,C形成谐振回路，强迫分量仍为E,在谐振电流过零时刻，T1关断; 4. T2导通,电容反复被充电，如果不考虑损耗，电容电压降趋于无穷大，
il
L C
IL C
uc
0
只有电流源的电路的相平面图
是一个半径为（ I
L C
- I0
L C
）,圆心为强迫分量（0,
I
L C
），通
过初始点（0,
I0
L）的圆。
C
典型二阶电路 ——电路中电压源与电流源同时存在
电路方程以及初始条件：
uc (0) uc0 ,il (0) I0
LC
d 2uc dt 2
uc
§4 准谐振变换器
准谐振变换器(QRCs, quasi-resonant-converters): 80年代提出的一类变换器，根据谐振方式的不 同，准谐振变换器可以分为： – 零电流开关准谐振变换器（ZCS QRCs） – 零电压开关准谐振变换器（ZVS QRCs）
特点 ： – 在一个工作周期内，谐振元件只在一部分时 间内参与谐振，而其他时间内运行在非谐振 状态
Lr
Cr
Lr
Cr
D off Tp on
il
L C
L I0
C
0
E
Uc
Tp off
1. 开关状态1[t0,t1]－电感恒压充电 在这一时间段内，开关Tp导通，续流二极管D继续导通，谐振电容Cr上 电压被钳位为0，电感Lr在E的作用下恒压充电，iLr线性上升。 这一阶段在相平面图中，对应于曲线沿I 轴向上。这段时间段内有：
uc
E
： 令
0
1 LC
解此二阶方程有：
uc (uc0 E) cos0t E
il
C L
(
E
uc0
)
s
in
0t
§1 相平面分析法
il
L C
0
E
uc0
uc
只有电压源的电路的相平面图
在以uc为x轴， il
L C
为y轴的相平面上，电压、电流的关系为一个圆,圆心
为强迫分量（E，0），通过初始点(uco，0) ，半径为（E- uco ）。
准谐振（QRC）或者多谐振技 单端或桥式变换器 术（MRC）
ZCS－PWM或ZVS－PWM技术 单端或桥式变换器
ZCT－PWM或ZVT－PWM技术 单端或桥式变换器
QRC: quasi-resonant converter MRC: multi-resonant converter ZCT: zero-current-transition ZVT: zero-voltage-transition
uco
§1 相平面分析法
典型二阶电路 ——电路中只有电流源
电路方程以及初始条件：
il (0) I 0 ,uc (0) 0
LC
d 2il dt 2
il
I
令： 解此二阶方程有：
0
1 LC
il (I0 I ) cos0t I
uc
L C
(I
I0
) s in 0t
§1 相平面分析法
L I0 C